CN103262184B - 用于磁热热装置的磁场发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于磁热热装置的磁场发生器（1），所述磁场发生器包括在至少一气隙（3）中产生恒定磁场的至少一磁化结构（2），所述磁化结构（2）包括第一磁极（5）和第二磁极（6），所述第一磁极和第二磁极在一对称平面（P）两侧彼此相对地布置且每个由永磁体（7，8）和铁磁元件（9）构成的组件组成，在所述磁场发生器中，所述铁磁元件（9）具有相对于形成所述磁极（5，6）的组件突伸出的表面（F1），而所述磁化结构（2）的两铁磁元件（9）以一间距相面对地布置，所述间距形成所述磁化结构（2）的所述至少一气隙（3，13，23）。所述磁场发生器的特征在于，所述磁场发生器包括两安装框架（15，16），所述安装框架在侧面封闭所述发生器（1，10，20，30，40，50），所述安装框架在基本上垂直于对称平面（P）的一平面中布置且每个在与所述磁化结构（2）相对的其侧壁上包括永磁体（21）。

Description

用于磁热热装置的磁场发生器

技术领域

本发明涉及一种用于磁热热装置的磁场发生器，所述磁场发生器包括在至少一气隙中产生恒定磁场的至少一磁化结构，所述磁化结构包括第一磁极和第二磁极，所述第一磁极和第二磁极在一对称平面两侧彼此相对地布置和每个由永磁体和铁磁元件构成的组件组成，在所述磁场发生器中，所述铁磁元件具有相对于形成所述磁极的组件突伸出的表面F1，而所述磁化结构的两铁磁元件以一间距相面对地布置，所述间距形成所述磁化结构的所述至少一气隙。

背景技术

为了在界定的一空间中经济地获得强磁场，已知地实施永磁体组件。文献描述了这类组件，特别是应用于磁共振的医疗成像领域中。在此领域中，实施并排布置的永磁体冠体。不过所使用的永磁体具有难以实施的复杂几何结构，这增加了磁体组件的成本。

这类磁体结构的转置因此在容积更为受限的应用范围内是不可设计的，特别地在磁热热发生器的领域中是不可设计的。实际上，在这些装置中，不可或缺的是，在基本上对应磁热材料或磁热元件的容积的气隙中产生均匀的强磁场，以使得所产生的磁场能够磁激活和磁钝化一种或多种磁热材料，所述磁热材料交替地被插入气隙继而从气隙取出。磁场越大，磁热元件或磁热材料的磁热效应越大，这将具有增大这类磁热热装置的热功率和从而增大效率的作用。

此外，在这些装置中，还期望的是，在气隙外部不存在任何磁场。这允许增大磁热效应，磁热效应直接地取决于由磁热材料在在气隙中的位置和其在气隙外的位置之间所经历的磁场差。如果在气隙外存在磁场，磁热元件在这两个位置之间并不从零磁场过度到强磁场。装置的效率因此不是最优的，这是因为磁热循环的效率和磁热效应被限制。

文章《Designofpermanent-magnetfieldsourceforrotary-magneticrefrigerationsystems》(S.J.Lee&al.，IEEETransactionsonMagneticsVol.38,No.5,September2002)提出一种磁化结构，所述磁化结构在至少一气隙中产生恒定磁场，所述磁化结构包括第一磁极和第二磁极，所述第一磁极和第二磁极在一对称平面两侧彼此相对地布置且每个由永磁体和铁磁元件构成的组件组成，所述铁磁元件具有相对于形成所述第一磁极和第二磁极的所述组件突伸出的表面，而所述磁化结构的两铁磁元件以一间距相面对地布置，所述间距形成所述磁化结构的所述至少一气隙。

发明内容

本发明旨在通过提出一种磁场发生器来消除这些弊端，所述磁场发生器用于集成在一磁热热装置中和在其气隙中具有均匀的和集中的强磁场。该磁场发生器也易于实施，组装便利，构件的几何形状简单，从而成本低廉。

为此，本发明涉及一种用于磁热热装置的磁场发生器，所述磁场发生器包括在至少一气隙中产生恒定磁场的至少一磁化结构，所述磁化结构包括第一磁极和第二磁极，所述第一磁极和第二磁极在一对称平面两侧彼此相对地布置且每个由永磁体和铁磁元件构成的组件组成，所述铁磁元件具有相对于形成所述第一磁极和第二磁极的所述组件突伸出的表面，而所述磁化结构的两铁磁元件以一间距相面对地布置，所述间距形成所述磁化结构的所述至少一气隙，其特征在于，所述磁场发生器包括两安装框架，所述两安装框架在侧面封闭所述磁场发生器，所述两安装框架布置在基本上垂直于对称平面的一平面中且每个在与所述磁化结构相对的其侧壁上包括永磁体。

磁热元件用于与载热流体进行热接触，所述载热流体在磁化循环第一阶段期间从其冷端部向其热端部流动，所述磁化循环第一阶段对应这样一阶段，在所述阶段中磁热材料或磁热元件经受其温度的升高，所述载热流体在磁化循环第二阶段期间从其热端部向其冷端部流动，在所述磁化循环第二阶段中磁热材料或磁热元件经受其温度的降低。在载热流体和磁热元件之间的热接触可通过沿着或经过磁热材料的载热流体实现。为此，磁热元件可由一种或多种磁热材料组成和可被载热流体透过。磁热元件还可包括在磁热材料的两端部之间延伸的流体流动通道。这些通道可通过磁热材料的孔隙率，或通过机加工的或通过一组磁热材料板所获得的槽道实施。

优选地，载热流体是液体。为此，例如可使用纯净水或添加防冻剂的水、乙二醇产品或盐水。

在每个磁极中，铁磁元件可具有四边形横截面，位于所述气隙外的其三个表面F2、F3、F4的每个与对应的永磁体的一表面相接触。

铁磁元件的表面F2、F4可基本上垂直于位于气隙中的表面F1和与称为侧向磁体的永磁体的一表面相接触，所述侧向磁体的磁化方向基本上垂直于垂直面F2、F4。

铁磁元件的与气隙中的表面F1相反的且被称为相反面F3的表面F3，有利地与称为相反磁体的永磁体相接触，所述相反磁体的磁化方向基本上垂直于所述相反面F3。

永磁体与铁磁元件相接触的表面优选地具有相同的形状和尺寸。

在第一磁极中，侧向磁体的和相反磁体的磁化方向可反向于铁磁元件取向；并且，在第二磁极中，侧向磁体的磁化方向可在与第一磁极的侧向磁体的磁化方向相反的方向上朝向铁磁元件取向，而在相反磁体中的磁化方向与第一磁极的相反磁体的磁化方向相同。

在每个磁极中，侧向磁体可具有平行六面体横截面，而相反磁体可具有两表面，所述两表面与侧向磁体的对应表面相接触，相接触的所述对应表面和所述两表面具有相同的形状和尺寸。

第一磁极和第二磁极可分别地包括第一磁场导体固定装置和第二磁场导体固定装置，所述装置以铁磁材料制成并且具有与所述第一磁极和第二磁极的相反磁体的对应表面相接触的表面。

磁体或铁磁构件可在所述第一磁极和第二磁极之间布置在对称平面中，并且可与所述第一磁极和第二磁极的铁磁元件的两对应表面F1的每个形成一气隙。

所述发生器可包括单个磁化结构，安装框架可以铁磁材料制成并且使所述第一磁极和第二磁极从侧面相连接。

所述发生器也可包括并排布置的至少两个磁化结构，所述安装框架以非磁性材料制成。

安装框架可与所述第一磁极和第二磁极的相反磁体和侧向磁体相接触；并且，固定装置可在与每个安装框架和对应的相反磁体之间的接触表面相邻的两区域中具有凸起部分。

安装框架可由根据一可调节的间距彼此相连接的两部分组成。

此外，位于每个安装框架的侧壁上的永磁体的磁化方向和磁化指向可与所述磁化结构的相反磁体的磁化方向和磁化指向相同。

还是为此，本发明涉及一种这类磁场发生器的安装方法，其特征在于，所述安装方法在于：

a)实施第一组件，所述第一组件包括第一磁极和两安装框架的第一部分，

b)实施第二组件，所述第二组件包括第二磁极和所述两安装框架的另一部分，

c)将所述两组件相面对地布置，以通过彼此相对地平行于对称平面的平移运动形成一气隙。

步骤a)和b)可在于：

i)通过插置称为相反磁体的永磁体，例如通过旋拧，将四边形截面的铁磁元件连接到磁场导体固定装置，

ii)将称为侧向磁体的平行六面体截面的两个永磁体的每个连接到两安装框架的一部分，例如通过胶接，

iii)然后在步骤a)和b)结束时将子组件连接在一起，以使得每个侧向磁体包括与铁磁元件相接触的一表面和与相反磁体相接触的一表面，并且使得两安装框架的每个部分具有与固定装置相接触的一表面，例如通过将固定装置旋拧到所述安装框架的部分上。

附图说明

在以下参照附图对作为非限定性示例给出的三个实施方式的说明中，本发明和其优点将更好地得到展示，附图中：

-图1是根据本发明的磁场发生器的第一实施方式的透视图，

-图2是示出磁场线的图1的磁场发生器的横向剖视图，

-图3是图1的磁场发生器的一变型的立视图，

-图4是示出图1的磁场发生器的另一变型的立视图，

-图5是示出磁场线的图4的磁场发生器的横向剖视图，

-图6是示出磁场线的图1的磁场发生器的另一实施变型的横向剖视图，

-图7是包括两气隙和示出磁场线的磁场发生器的第二实施方式的横向剖视图，

-图8是包括两磁化结构和示出磁场线的磁场发生器的第三实施方式的横向剖视图，和

-图9A、9B、10A、10B、11A、11B和12示出在图3上所示的磁场发生器的不同安装步骤。

具体实施方式

图1示出根据本发明的磁场发生器1的一基本实施方式。该磁场发生器1在此情形下包括单个磁化结构2，所述磁化结构包括相对地布置的两磁极5和6，所述两磁极界定一气隙3。第一磁极5由永磁体7和8与铁磁元件9构成的组件组成。除了永磁体7和8的磁化方向外，两磁极5和6是相同的。

在每个磁极5、6中，铁磁元件9形成一磁场集中器且相对于永磁体7和8突伸出。铁磁元件具有呈矩形的横截面和四个侧面F1、F2、F3和F4。侧面F1位于气隙3中。垂直于位于气隙3中的侧面F1和被命名为垂直面F2、F4的侧面F2和F4，每个固定或紧密地连接在称为侧向磁体7的一永磁体上。每个侧向磁体7具有平行六面体截面而铁磁元件9的侧面F2和F4具有与侧向磁体7的对应的表面相同的尺寸。称为相反面F3和与位于气隙中的侧面F1相反的铁磁元件9的侧面F3固定或紧密地连接在称为相反磁体8的磁体上。该相反磁体8也具有一表面，该表面的尺寸对应铁磁元件9的对应表面F3的尺寸。此外该相反磁体具有呈六边形的横截面，其两表面具有与所述两表面固定或紧密连接在其上的每个侧向磁体7的表面相同的尺寸。

每个由两侧向磁体7和固定在铁磁元件9上和形成两磁极5、6的一相反磁体8组成的两组件从侧面由以铁磁材料制成的和形成磁场相反的两安装框架15相连接。在所示的变型中，每个安装框架15与每个磁极5、6的侧向磁体7的一表面和相反磁体8的一表面相接触。

优选地，且如图1和图2所示，安装框架15具有这样一形状，所述形状包括凹处，一个或多个磁热元件4可布置在该凹处中。实际上，根据本发明的磁场发生器1、10、20、30、40、50用于通过至少一磁热元件4相对于所述磁场发生器的气隙3、13、23的相对运动使所述磁热元件4经受一可变磁场。因此，需要一方面设置气隙3、13、23，所述气隙的容积允许定位至少一磁热元件4，以使得存在一恒定的强磁场，和另一方面在该气隙3外部设置一容积，在所述容积中磁场为零或非常弱和可包括所述磁热元件4。气隙3外部的该容积可以是其气隙3、13、23外的磁场发生器的内部容积或位于磁场发生器外部的容积。

为此，在图1上所示的磁场发生器1的构型中，气隙3的外部容积由两安装框架15界定，所述两安装框架具有基本上呈C形的截面。这些安装框架15可以整体件或通过如在图3上所示的多个部分18、19的组装制成，图3示出根据第一变型的磁场发生器10。在图1到图3上的磁场发生器1和10中，所述磁热材料或磁热元件4在气隙3两侧朝向一安装框架15继而朝向另一安装框架(见箭头F)的方向侧向地移动，以根据其在气隙3中或气隙外的位置经历相继的加热和冷却。

有利地，磁场发生器1和10还包括两固定装置11、12，所述两固定装置以铁磁材料制成，形成一磁桥和一安装板。每个固定装置11、12与磁极5、6的一相反磁体8和与两安装框架15相接触。

关于磁体7、8的磁化，侧向磁体7的磁化方向垂直于垂直面F2、F4，而相反磁体8的磁化方向垂直于所述相反面F3。在第一磁极5中，侧向磁体7和相反磁体8的磁化方向反向于铁磁元件9取向，而在第二磁极6中，侧向磁体7的磁化方向朝向铁磁元件9取向，即在与第一磁极5的侧向磁体7的磁化方向相反的方向上取向，在相反磁体8中的磁化方向与第一磁极6的相反磁体8的磁化方向相同。

这类构型允许以少量的磁体和构型方便的磁体在气隙3中获得强磁场，成本较低。作为示例，在根据本发明的磁场发生器1中，在厚度e等于16毫米的气隙3中获得1.22特斯拉的磁场，和1.41特斯拉的永磁体7和8。在该磁场发生器1中行进的磁场线在图2上示出。实际上可以观察到，这些磁场线很多且在其中布置有磁热元件4的气隙3中占具优势。

在图3上所示的磁场发生器10中，两磁极5和6可根据一可变间距进行布置，该可变间距允许根据磁热元件4的厚度和也根据磁场的强度调节气隙3的厚度e。这种调节通过两安装框架15实施，两安装框架每个由两部分18和19组成，两部分的间距可通过一螺钉系统或各种其它合适的部件来调节。

图9A、图9B、图10A、图10B、图11A、图11B和图12示出参照图3进行描述的磁场发生器10的不同安装步骤。在图9A和图9B中所示的第一安装步骤(步骤i)在于通过胶接或各种等效方式将侧向磁体7的表面固定在安装框架15的部分18、19上。该步骤实施用于磁场发生器10的四个侧向磁体7。在图10A和图10B中所示的第二步骤(步骤ii)在于，通过在四边形截面的铁磁元件9和铁磁材料制成的固定装置11、12之间插置相反磁体8，通过夹持、旋拧或各种等效方式将该铁磁元件与该固定装置彼此相连接，该相反磁体8可简单地支撑或局部地接合在所述固定装置11、12中。这两个步骤i)和ii)可以任何顺序独立地实施。

在图11A和图11B中所示的下一步骤(步骤iii)在于在步骤i)和ii)结束后连接子组件，以使得每个侧向磁体7包括与铁磁元件9相接触的一表面和与相反磁体8相接触的一表面，而安装框架15的每个部分18、19具有与固定装置11、12相接触的一表面。这里同样地，在每个固定装置11、12和安装框架15的对应部分18、19之间实施旋拧固定。从而获得两组件24、25。

在图12上示意性示出的最后一步骤在于将所述组件24、25相面对地定位，所述组件在其对称轴上对齐，并且在于通过彼此相对地平移运动使所述组件平行于对称平面P移动，以使得两安装框架15的部分18和19同时地对接和自动定位，以使两铁磁元件9相面对和形成气隙3。

两组件24、25彼此相对的固定可以这样进行实施，通过设置一垫片13(参照图4)或一螺钉调节系统或相似的系统，可变地调节使两组件分开的距离。

图4和图5示出根据另一实施变型的磁场发生器20。该磁场发生器20的优点和在气隙3中的磁场强度与在图1到图3中所示的磁场发生器1、10相关的优点和磁场强度相同。

图4和图5的磁场发生器与图3的磁场发生器10的区别在于，存在在安装框架15的部分18和19之间布置的一垫片13，垫片的厚度根据气隙3进行选择。区别还在于，存在一凸起部分17，所述凸起部分在每个固定装置11、12中，在与位于每个安装框架15和相反磁体8之间的接触表面相邻的区域处实施。这些凸起部分17允许避免在所述固定装置11、12中可能的磁场饱和，和从而允许在气隙3中保证一最大磁场。图5示出在所述磁场发生器20中的磁场，在所述磁场发生器中，在每个安装框架15的两部分18和19之间的间距为零。

图6示出依旧根据另一实施变型的磁场发生器30。该磁场发生器30还允许增大气隙3中的磁场，以达到1.36特斯拉。图6的磁场发生器与在图4和图5中所示的磁场发生器20的区别在于这样的事实，每个安装框架15的内壁包括永磁体21，所述永磁体的磁化方向和磁化指向与相反磁体8的磁化方向和磁化指向相同。当然，这种布置可覆盖到所示出的和所描述的所有实施方式。

在图6上所示的磁场发生器30中，所述磁热元件4用于在垂直于磁热元件在图1到图3中所示的磁场发生器1、10中的移动方向的方向上移动。不过也可能的是，布置一容积，用以将所述磁热元件4定位在该磁场发生器30的壳体中。这类布置可通过修改两安装框架15的形状容易地获得，例如通过赋予两安装框架比在图6中所示的形状更为弧形的形状容易地获得。

在图7上所示的磁场发生器40与图6的磁场发生器的区别在于这样的事实，磁场发生器40包括两气隙13和23。其磁化方向和磁化指向与相反磁体8的磁化方向和磁化指向相同的磁体14在磁化结构2的两铁磁元件9之间定位。该磁体14可由一铁磁构件替代。该磁体或该构件14可通过热塑性材料或通过各种其它磁性的或非磁性的等效装置保持就位。该磁体或该构件14从而与每个铁磁元件9形成一气隙13、23。

这种构型的优点在于这样的事实，对于与已描述的磁场发生器1、10、20和30的体积和重量基本上相等的体积和重量，可获得能够激励更多的磁热元件4和因此提高包括所述磁场发生器40的热装置的效率的两气隙13、23。

在图8上所示的磁场发生器50包括相同的和并排布置的两磁化结构2。为了在每个磁化结构2的气隙3中获得最大磁场，需要的是，磁化结构2的第一磁极5布置在另一磁化结构2的第二磁极6的旁边。这允许在两磁化结构2之间形成一磁回路。在该构型中，安装框架16以非磁性材料制成。

这种构型也允许磁激励更多的磁热元件4，从而提高包括所述磁场发生器50的热装置的效率。

根据本发明的磁场发生器1、10、20、30、40、50的构型允许使用这样的永磁体7、8、14，所述永磁体的形状易于实施和其磁化是各向异性的。

在所有附图上所示的磁场发生器1、10、20、30、40和50用于集成在包括至少一磁热元件4的热装置中。该磁热元件4可由一种或多种磁热材料4组成，和被载热流体经过或与载热流体相接触，所述载热流体朝向所述磁热元件4的第一端部的方向继而朝向其第二端部的方向交替地、与所述磁热元件4的位置变化同步地、在气隙3中和气隙外流动。

优选地，磁热元件4在磁场发生器的气隙3、13、23中滑动安装和根据连续的来回平移移动或转动移动被带动。

从本说明书中清晰地示出，本发明允许达到所关注的目标，即提出一种磁场发生器，所述磁场发生器的实施在结构上简单且经济，并且其允许以相对少的磁化材料获得强磁场。当这类发生器集成在用于在加热、空调、温度调节、冷却或其它的领域中被使用的磁热热装置中时，这类发生器可以特别是以有竞争力的成本和较小的体积良好地适用于工业应用和家用应用。

本发明并不局限于所描述的实施例，而是覆盖对于本领域技术人员而言明显的各种修改和变型，同时保持在由所附权利要求中所定义的保护范围内。

Claims (12)

1.一种用于磁热热装置的磁场发生器(1，10，20，30，40，50)，所述磁场发生器(1，10，20，30，40，50)包括在至少一气隙(3，13，23)中产生恒定磁场的至少一磁化结构(2)，所述磁化结构(2)包括第一磁极(5)和第二磁极(6)，所述第一磁极和第二磁极在一对称平面(P)两侧彼此相对地布置且每个由永磁体(7，8)和铁磁元件(9)构成的组件组成，所述铁磁元件(9)具有相对于形成所述第一磁极(5)和第二磁极(6)的所述组件突伸出的表面(F1)，而所述磁化结构(2)的两铁磁元件(9)以一间距相面对地布置，所述间距形成所述磁化结构(2)的所述至少一气隙(3，13，23)，

其特征在于，所述磁场发生器包括两安装框架(15，16)，所述两安装框架在侧面封闭所述磁场发生器(1，10，20，30，40，50)，所述两安装框架在基本上垂直于所述对称平面(P)的平面中布置，且每个安装框架在与所述磁化结构(2)相对的其侧壁上包括永磁体(21)；

并且，磁体或铁磁构件(14)在所述第一磁极(5)和第二磁极(6)之间布置在所述对称平面(P)中，并且与所述第一磁极(5)和第二磁极(6)的铁磁元件(9)的两对应表面(F1)的每个形成一气隙(13，23)。

2.根据权利要求1所述的磁场发生器，其特征在于，在每个磁极(5，6)中，所述铁磁元件(9)具有四边形横截面；并且，位于所述气隙(3，13，23)外的其三个侧表面(F2，F3，F4)的每个与对应的永磁体(7，8)的表面相接触。

3.根据权利要求2所述的磁场发生器，其特征在于，所述铁磁元件(9)的两个侧表面(F2，F4)基本上垂直于位于所述气隙(3，13，23)中的表面(F1)并且与称为侧向磁体(7)的永磁体的表面相接触，所述侧向磁体的磁化方向基本上垂直于所述侧表面(F2，F4)。

4.根据权利要求3所述的磁场发生器，其特征在于，所述铁磁元件(9)的与位于所述气隙(3，13，23)中的表面(F1)相反的且被称为相反面(F3)的一个侧表面(F3)，与称为相反磁体(8)的永磁体相接触，所述相反磁体的磁化方向基本上垂直于所述相反面(F3)。

5.根据权利要求4所述的磁场发生器，其特征在于，所述永磁体(7，8)与所述铁磁元件(9)相接触的表面具有相同的形状和尺寸。

6.根据权利要求4所述的磁场发生器，其特征在于，在所述第一磁极(5)中，所述侧向磁体(7)的磁化方向和所述相反磁体(8)的磁化方向反向于所述铁磁元件(9)取向；并且，在所述第二磁极(6)中，所述侧向磁体(7)的磁化方向在与所述第一磁极(5)的侧向磁体(7)的磁化方向相反的方向上朝向所述铁磁元件(9)取向，而在所述相反磁体(8)中的磁化方向与所述第一磁极(5)的相反磁体(8)的磁化方向相同。

7.根据权利要求6所述的磁场发生器，其特征在于，在每个磁极(5，6)中，所述侧向磁体(7)具有平行六面体横截面，而所述相反磁体(8)具有两表面，所述两表面与所述侧向磁体(7)的对应表面相接触，相接触的所述对应表面与所述两表面具有相同的形状和尺寸。

8.根据权利要求7所述的磁场发生器，其特征在于，所述第一磁极(5)和第二磁极(6)分别地包括第一磁场导体固定装置(11)和第二磁场导体固定装置(12)，所述第一磁场导体固定装置和所述第二磁场导体固定装置以铁磁材料制成并且具有与所述第一磁极(5)和第二磁极(6)的相反磁体(8)的对应表面相接触的表面。

9.根据权利要求1所述的磁场发生器，其特征在于，所述磁场发生器包括单个磁化结构(2)；并且，所述两安装框架(15)以铁磁材料制成并且使所述第一磁极(5)和第二磁极(6)从侧面相连接。

10.根据权利要求1所述的磁场发生器，其特征在于，所述磁场发生器包括并排布置的至少两磁化结构(2)；并且，所述两安装框架(16)以非磁性材料制成。

11.根据权利要求1所述的磁场发生器，其特征在于，所述两安装框架(15)与所述第一(5)和第二磁极(6)的相反磁体(8)和侧向磁体(7)相接触；并且，所述第一磁场导体固定装置(11)和第二磁场导体固定装置(12)在与每个安装框架(15)和对应的相反磁体(8)之间的接触表面相邻的两区域中具有凸起部分(17)。

12.根据权利要求1所述的磁场发生器，其特征在于，所述两安装框架(15)由根据一可调节的间距彼此相连接的两部分(18，19)组成。